廢水生物脫氮除磷工藝
目前，水污染問題已經(jīng)引起了各界人士的廣泛關(guān)注。水污染的主要來源是城市生活廢水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)污染源。污水中氮磷含量過高會(huì)使水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，甚至影響人體健康。因此，研究和開發(fā)脫氮除磷新技術(shù)是解決水污染問題的關(guān)鍵。脫氮除磷方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，但物理法和化學(xué)法投資大，容易造成二次污染，而生物法投資小，成本低，無二次污染。因此，生物法將是未來的主流方法污水處理。
1.生物脫氮除磷原理
一般來說，生物脫氮的過程分為三步:第一步，有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下分解轉(zhuǎn)化為氨氮。第二步，氨氮在硝化細(xì)菌的作用下進(jìn)一步分解氧化成硝態(tài)氮。第三步，反硝化細(xì)菌將硝化過程中產(chǎn)生的硝態(tài)氮還原為氣態(tài)氮，排放到大氣中。研究表明，在硝化反硝化過程中，一些細(xì)菌可以利用亞硝酸鹽或硝酸鹽作為電子受體，直接將氨氮氧化為氣態(tài)氮。這一發(fā)現(xiàn)將為新型脫氮工藝的研究和開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。
生物除磷是指聚磷菌在厭氧條件下吸收磷，在好氧條件下過量釋放磷的一種生理變化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象被稱為luxuryuptake現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，有一類兼性反硝化菌可以利用硝酸鹽作為電子受體，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，產(chǎn)生生物除磷。總之，生物脫氮除磷是微生物代謝活動(dòng)對(duì)有機(jī)氮和有機(jī)磷的分解和轉(zhuǎn)化。
2.傳統(tǒng)生物脫氮除磷的典型工藝
傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝大致可以分為兩類。一是按時(shí)間順序分布，如SBR工藝；二是按空間順序分布，如A2/0過程。氧化溝過程不僅是一個(gè)按時(shí)間順序分布的過程，也是一個(gè)按空間順序分布的過程。這些工藝已被廣泛研究和應(yīng)用，并取得了良好的效果。
2.1 SBR工藝
SBR是序批式活性污泥法的縮寫。流程圖如圖1所示，這是一種間歇曝氣運(yùn)行的水處理技術(shù)。該工藝中SBR反應(yīng)器的反應(yīng)過程分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排放、閑置五個(gè)階段，反復(fù)進(jìn)行，達(dá)到脫氮除磷的效果。
郭海燕等研究表明，進(jìn)水C/N比為2.2 ~ 3.5，曝氣強(qiáng)度為48 ~ 50 L/h，脫氮除磷效果良好。總磷和總氮的去除率分別達(dá)到89.4%和84.5%。研究表明，當(dāng)碳源合適時(shí)，SBR工藝對(duì)TP和TN的去除率分別可達(dá)96%和78.3%。但反應(yīng)器容積利用率低，曝氣量大，成本增加，不能連續(xù)運(yùn)行。
2.2 A2/O工藝
A2/O工藝，即厭氧/缺氧/好氧工藝，是典型的污水處理工藝(流程圖見圖2)。廢水先進(jìn)入?yún)捬醵伟被屃祝龠M(jìn)入缺氧段反硝化，后期在好氧段進(jìn)行硝化吸磷。部分硝化液回流至缺氧段，部分污泥回流至厭氧段。
多年的研究成果和實(shí)際工程應(yīng)用表明，A2/O工藝具有工藝流程簡(jiǎn)單、活性污泥膨脹小、基建和運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。但A2/O工藝也存在一些缺點(diǎn)，如污泥和硝化液回流增加投資和運(yùn)行能耗，反硝化菌和聚磷菌的碳源競(jìng)爭(zhēng)問題。
2.3氧化溝工藝
氧化溝工藝自問世以來在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并成為我國(guó)的主導(dǎo)工藝之一污水處理。氧化溝具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式(如圖3所示)，沒有末端循環(huán)水路，使得曝氣器產(chǎn)生的溶解氧沿水流方向產(chǎn)生濃度梯度并反復(fù)變化，從而使氧化溝在去除有機(jī)物的同時(shí)，對(duì)混合溶液中的氮、磷有很好的去除效果。
氧化溝工藝抗沖擊能力強(qiáng)，污泥穩(wěn)定，基建投資和運(yùn)行費(fèi)用低。但研究和應(yīng)用表明，氧化溝工藝在運(yùn)行中不考慮回流比，即使考慮回流比，仍采用經(jīng)驗(yàn)值或無控模式。
3.傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝存在的問題
一般來說，傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝存在微生物混合培養(yǎng)、碳源、污泥齡、回流污泥中硝酸鹽等問題。單級(jí)SBR反應(yīng)器在空間上完全混合，使得硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等?；旌显谝黄鹨种品磻?yīng)和碳源不足。A2/O工藝，即厭氧/缺氧/好氧工藝，有內(nèi)回流系統(tǒng)，會(huì)將硝酸鹽帶回缺氧池，不利于聚磷菌聚磷，除磷效果不明顯。很難通過改進(jìn)來提高脫氮效果。氧化溝工藝是活性污泥法的變種，容易發(fā)生污泥膨脹，導(dǎo)致污泥排放量大，同一溝內(nèi)溶解氧濃度難以控制，因此脫氮能力有限，除磷率低。因此，為了獲得更好的脫氮除磷效果，有必要進(jìn)一步改造舊工藝或開發(fā)新工藝。
3.1微生物的生長(zhǎng)條件有限
污水脫氮除磷是多種微生物共同作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝一般是單一的懸浮污泥生長(zhǎng)系統(tǒng)，不能滿足所有微生物(硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、聚磷細(xì)菌等)較好的生長(zhǎng)條件。)同時(shí)，因此系統(tǒng)很難達(dá)到理想的脫氮除磷效果。
3.2碳源問題
系統(tǒng)中碳源的消耗主要在反硝化作用、聚磷菌的厭氧釋磷和異養(yǎng)菌的代謝中。由于污水中易降解有機(jī)物產(chǎn)生的碳元素有限，反硝化和厭氧釋磷的反應(yīng)速率與碳源密切相關(guān)，要達(dá)到良好的脫氮除磷效果還需要進(jìn)一步研究。
3.3泥漿老化問題
長(zhǎng)泥齡是獲得良好硝化效果的重要保證。而聚磷菌繁殖快，世代周期短，生物除磷是通過排出剩余污泥來實(shí)現(xiàn)的。如果泥齡過長(zhǎng)，硝化過程中活性污泥的活性會(huì)下降，而且會(huì)影響聚磷菌對(duì)磷的吸收。從而造成活性污泥中糖的積累和非聚磷菌的生長(zhǎng)，除磷效果大打折扣。因此，為了滿足脫氮除磷對(duì)泥齡的要求，通?？刂葡到y(tǒng)在較窄的泥齡范圍內(nèi)運(yùn)行，但在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)的脫氮除磷效果往往不穩(wěn)定。
3.4回流污泥中的硝酸鹽
在脫氮除磷系統(tǒng)中，硝化菌、反硝化菌和聚磷菌參與整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行，發(fā)揮著重要作用。在常規(guī)工藝中，缺氧區(qū)位于好氧區(qū)之前，因此好氧區(qū)的污泥回流不可避免地將部分硝酸鹽帶入缺氧區(qū)。但在缺氧區(qū)，反硝化細(xì)菌會(huì)與聚磷菌爭(zhēng)奪底物，不能滿足聚磷菌的正常生長(zhǎng)和代謝，導(dǎo)致除磷效果降低。
4.生物脫氮除磷新工藝
基于傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在的問題及問題產(chǎn)生的原因，本著尋找高效、經(jīng)濟(jì)、適用工藝的原則，近年來，新的生物脫氮除磷工藝不斷被開發(fā)出來，如改良的脫氮除磷工藝、BCFS工藝、沙倫-厭氧氨氧化組合工藝等。改進(jìn)的DEPHANOX工藝具有獨(dú)立的硝化系統(tǒng)，將硝化和反硝化反應(yīng)分開，解決了碳源不足和微生物混合培養(yǎng)的問題。BCFS工藝是一種改進(jìn)型氧化溝組合工藝，大大減少了污泥產(chǎn)量，提高了除磷率。SHARON-ANAMMOX組合工藝通過控制亞硝化階段氨氮的氧化，直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。碳源不短缺，脫氮除磷效果好，是一種非常經(jīng)濟(jì)適用的污水處理工藝。
4.1改進(jìn)的脫氮工藝
該工藝的原理是反硝化除磷，從理論上進(jìn)一步強(qiáng)化了氮磷矛盾的解決。流程如圖4所示。污水進(jìn)入系統(tǒng)后，首先與回流污泥混合，吸收大量有機(jī)物。上清液進(jìn)入獨(dú)立硝化系統(tǒng)，下層有機(jī)污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，然后在缺氧區(qū)重新混合。然后進(jìn)行氮?dú)獯得摚魅攵脸?，達(dá)標(biāo)排放。
該工藝具有獨(dú)立的硝化系統(tǒng)，使硝化反應(yīng)能夠充分進(jìn)行；為反硝化提供充足的氮源，使整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)有效地運(yùn)行。在該工藝中，COD去除率為84.4%，氨氮去除率為80%左右，總氮和總磷去除率分別為67.1%和79.4%，基本達(dá)到了預(yù)期效果。
4.2 BCFS進(jìn)程
荷蘭代爾夫特大學(xué)的馬克教授在氧化溝和UCT工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的BCFS工藝是目前已投入使用的單一污泥系統(tǒng)。該工藝主要由厭氧池、選擇性池和缺氧池五個(gè)主池和三個(gè)循環(huán)系統(tǒng)組成。流程如圖5所示。
該工藝實(shí)現(xiàn)了脫氮和生物除磷的有機(jī)結(jié)合。其特點(diǎn)是氮磷去除率高，比常規(guī)污水處理減少污泥10%，操作簡(jiǎn)單，脫氮除磷效果好。所以這個(gè)過程是一個(gè)很有前途的污水處理過程。
4.3沙倫-厭氧氨氧化組合工藝
SHARON工藝的基本原理是短程硝化反硝化。該原理與傳統(tǒng)硝化反硝化的區(qū)別在于，將氨氮的氧化控制在亞硝化階段，直接進(jìn)行反硝化，縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了除磷效果。在厭氧氨氧化過程中，由于厭氧氨氧化菌是自養(yǎng)菌，不需要添加碳源，硝化反應(yīng)的充氧能耗大大降低。因此，采用SHARON工藝作為硝化反應(yīng)器，ANAMOX工藝作為反硝化反應(yīng)器，形成組合工藝。流程圖如圖6所示。該工藝適用于高氨氮濃度廢水的處理。與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝反應(yīng)時(shí)間短、能耗低、污泥產(chǎn)量少。
5.觀點(diǎn)
污水脫氮除磷已成為水污染控制的重要技術(shù)，未來發(fā)展將集中在以下幾個(gè)方面:
(1)改進(jìn)傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝，使不同營(yíng)養(yǎng)微生物在不同反應(yīng)器中獨(dú)立生長(zhǎng)。結(jié)合傳統(tǒng)工藝尋找更好的組合新工藝。
(2)基于短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷的新理論，開發(fā)了脫氮除磷新工藝。目前已有一些新技術(shù)在實(shí)踐中得到應(yīng)用，但對(duì)這些新技術(shù)的原理、過程和影響因素還沒有完全掌握，需要進(jìn)一步深入研究。
(3)生物脫氮除磷工藝應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，最大限度地減少CO2排放和剩余污泥，實(shí)現(xiàn)污染物的無害化和廢水的資源化。(來源:湖南省畜牧獸醫(yī)研究所、湖南省廣信安農(nóng)牧有限公司)
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